人機工程仿真技術在焊裝領域的運用范文

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《汽車工藝與材料》2018年第5期

摘要：介紹了人機工程學在汽車制造領域數字化工廠中的應用，并借助西門子ProcessSim⁃ulate軟件中的Human模塊，通過實例解析人機工程仿真分析在項目周期中對人體姿態優化、生產線規劃方案優化和節拍分析的應用，闡述人機工程仿真技術應用在生產線方案設計中的必要性，縮短產品生準周期，提升產品市場競爭力。

關鍵詞：人機工程學；數字化工廠；Human；產品生準周期；焊裝

1前言

隨著計算機技術和網絡技術的不斷發展，基于人機工程學的虛擬設計和測試評價已經成為可能，這不僅可以提質、增效、降成本，而且可以增強企業的競爭能力[1]。因此，在汽車制造領域中，虛擬制造技術的應用能夠在產品設計階段有效對產品制造進行模擬分析，提前發現生產過程中可能發生的問題并解決，提升產品制造效率與質量，有效降低生產成本。人機工程學的應用在汽車行業的總裝領域體現較為明顯，而在焊裝領域除了先進的自動化技術應用外，部分關鍵工序仍需要人工完成。利用ProcessSimulate軟件搭建數字化仿真平臺，借助Human模塊，在產品設計階段完成對人工上件及焊接操作的仿真分析，并根據分析結果直接影響產品設計、工程設計及工藝規劃結果，提前識別問題并及時解決，優化人工操作姿態，使現場人工操作完全符合人機工程學要求。

2人機工程簡介

人際工程學是把人—機—環境系統作為一個整體來研究，以創造適合于人操作的機械設備和作業環境，使人—機—環境系統相協調，從而保證人安全、健康、高效、舒適的工作狀態，以實現“以人為本”的人性化理念[2]。目前人機工程研究理論的數量不斷增多，根據各企業需求的不同，虛擬仿真軟件PS中同樣設置多種人機工程分析方法（圖1），本文主要對OWAS和RULA兩種人體姿態分析方法對人機工程技術的應用進行分析。OWAS姿態分析方法用來檢查工人的姿勢是否舒適，其主要分析人體背部、手臂、腿部、頭部4個部位的姿勢要素和1個負重要素，通過分析5個要素之間的相互作用，評定人體姿態的疲勞等級，并根據工作姿態需要改進的緊迫程度、工作姿態疲勞等級分AC1-AC44個等級。RULA上肢快速評估分析方法主要評估手臂、前臂、手腕、頸部、身軀、腿部在不同工作姿勢角度上的不同得分，并觀察姿勢的施力大小與使用肌肉狀態給予評分，根據綜合評分，將行動等級分為AL1-AL44個等級，如表1所示。工作過程中導致上肢不適的可能因素包括腕部和手臂的姿勢、整個身體的姿勢、關節使用頻率、作業中上肢的施力、作業周期中姿勢是否變動等因素。

3焊裝領域人機工程仿真

以往焊裝手工工位在前期方案規劃設計和操作通過性方面較大程度依賴工藝員的經驗，但工藝人員通過經驗所設計的規劃方案并不能完全解決所有潛在問題，這些問題將會在項目后期暴露出來，直接影響產品生準周期和成本。通過利用PS軟件中的Human模塊，在產品開發及工程設計前期放置驗證工藝設計方案，充分發掘并解決潛在的問題，達到提質降本增效的目的，間接提高產品競爭力。焊裝領域對人機工程技術的研究主要體現在人體姿態優化和操作工時優化兩個方面。本文以某車型翼子板安裝工位和側圍線一工位為例，涉及裝配、涂膠、焊接、轉運等工藝內容，通過運用PS中的Human模塊建模仿真，并對其工藝操作內容進行優化，提出合理的工藝規劃方案。

3.1人體姿態優化分析

在焊裝區域，工人有取件、裝配、拿放焊槍，及焊接過程中的翻槍、轉向、開關行程等動作，這些動作在執行過程中工人的操作姿態有彎腰、下蹲、仰頭或舉手過肩等容易使人產生疲勞的動作，長期工作在該狀態下將會對人體機能和體力過度損耗，且在車型量產后存在產品結構變更難度大、工裝設備改造成本高的問題。因此，通過人機工程仿真分析，能夠直觀分析出生準階段方案規劃和工藝設計的設計缺陷，及早識別風險，縮短后期改造周期和降低改造成本。如圖3a所示，該工位為調整線翼子板安裝工位，該車型在圖示位置翼子板中部新增螺栓裝配操作，操作過程需要工人下蹲彎腰并將頭部伸入車身下部。經過現場模擬發現，在工人操作過程中，其腿部、背部及上肢有明顯不適現象。結合上述操作，在PS環境中建立與工人身高體重一致的人體模型，建立人體姿態與現場工人操作姿態相仿，如圖3b所示。應用PS軟件中的JACK分析工具，對該姿態狀態下人體模型進行人機工程分析，分析結果顯示，OWAS姿勢編碼為4241-1，姿態分析行動等級為AC4，同時RULA快速上肢分析顯示綜合評分為7，行動等級為AL4。綜上分析結果表明，該姿態對人體背部和腿部造成嚴重危害，且手臂長期處于疲勞狀態，應立即停止作業并改善。因此，在產品設計初期，通過對關鍵工位的人工操作姿態借助人機工程軟件分析，避免在車型量產后因人機工程學問題凸顯而造成生產困難、工裝設備變更困難、改造成本高等問題的發生。

3.2工藝規劃方案優化分析

手工工位工藝規劃的合理性可以降低生準成本、優化生產節拍，更能有效促進工人工作效率的提高，而人機工程仿真分析不僅可以檢驗工藝規劃的合理性，還可以提出改善方案，且仿真結果可以用于現場工人操作教學指導。以某車型側圍線1工位為例，利用ProcessDesigner（簡稱PD）實現工位仿真建模及工藝規劃。初期建模依據工藝員提供的規劃方案，將產品及資源數據依次導入PD軟件中。產品數據包括本工位裝配所需的各零件總成、焊點涂膠等信息，資源數據包括本工位的鋼結構、吊具、夾具、焊鉗、涂膠機、加熱臺、料箱以及本工位2D布局規劃圖等。在PD虛擬仿真平臺下規劃產品及資源布局（圖4），搭建該工位的資源樹和操作樹結構，將零件、焊鉗、焊點信息關聯到焊裝操作，并建立Pert圖及Gantt圖，完成初步工藝規劃。本工位的操作順序是裝配零件-涂膠-夾具關閉-焊接-夾具打開-轉運至緩存區域，其中，裝配零件共有10個零件組成，焊接部分包括4把焊鉗共33個焊點。在PS環境下，按照工藝要求應用Human模塊對兩名操作人員的操作工序進行創建編輯，并輸出操作清單。仿真結果顯示，操作者1工作節奏較為緊湊，操作者2在抓取側圍外板時等待17.3s，在焊接完成后打開夾具時等待31.9s。經過程仿真分析及線平衡分析，將操作者1部分上件工作分配給操作者2，重新布局涂膠臺及加熱臺位置，并在夾具臺下放置緩存料盒，用于暫存小零件，減少走動時間和頻次，縮短輔助時間。結合新的工藝布局規劃結果，重新調整仿真路徑及修整操作時間，輸出操作清單，如圖7所示。經工藝規劃及仿真分析，該工位生產周期由原來的203.34s縮減至176.78s，滿足工位設計節拍要求。結果分析得到，操作者1實際有效工作時間為147.44s，操作者2實際有效工作時間為130.28，該工位整體優化節拍約13%。

參考文獻：

[1]王秀玲.人機工程學的應用與發展[J].機械設計與制造,2007,1(1):151-152.

[2]朱序璋.人機工程學[M].西安:西安電子科技大學出版社,1999,11:28-29.

作者：武保同；王鳳奇；呂朋 單位：中國第一汽車股份有限公司發展制造部